DE2854539A1

DE2854539A1 - Elektrische schaltungsanordnung fuer eine anzahl kapazitiver beruehrungsgeber, wenigstens einen solchen kapazitiven beruehrungsgeber enthaltender selbstoptimierender beruehrungssensor und verfahren zur optimierung eines beruehrungssensors

Info

Publication number: DE2854539A1
Application number: DE19782854539
Authority: DE
Inventors: Walter John Butler; Charles William Eichelberger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-12-23
Filing date: 1978-12-16
Publication date: 1979-08-02
Also published as: GB2011089A; US4145748A; JPS54100229A

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady, New York 12 305 (USA)

Elektrische Schaltungsanordnung für eine Anzahl kapazitiver Berührungsgeber, wenigstens einen solchen kapazitiven Berührungsgeber enthaltender, selbst-optimierender Berührungssensor und Verfahren zur Optimierung eines Berührungssensors

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung für eine Anzahl kapazitiver Berührungsgeber, einen selbstoptimierenden Berührungssensor mit wenigstens einem kapazitiven Berührungsgeber und ein Verfahren zur Optimierung eines Berührungssensors.

Kapazitive Berührungssensoren werden zur Signaleingabe bei verschiedenen Geräten einschl. Haushaltsgeräten, wie Küchengeräten benutzt, welche nach Art eines Tastenfeldes angeordnete Berührungsgeber aufweisen. Ein kapazitiver Berührungssensor ist bei diesen Anwendungen deshalb zweckmäßig, weil er den Benutzer von den Steuerschaltungen dar Anlagen und deren Spannungen isoliert.

Ein typischer bekannter kapazitiver Berührungssensor enthält eine Hochspannungsimpulsgeneratorschaltung, die an eine kapazitive Berührungsplatte angekoppelt ist, welche ihrerseits mit einer Empfängerschaltung gekoppelt ist. Die Berührungsplatte bildet eine Elektrode eines Kondensators; sie ist durch ein Dielektrikum, wie etwa eine Glasplatte isoliert. Wenn der Benutzer die Glasplatte berührt, wird die Kapazität des Berührungsplattenkondensators verändert, weil die Kapazität gegen Erde einer Elektrode durch die Anwesenheit des Benutzers eine Änderung erfährt. Diese Kapazitätsänderung ist klein; sie beeinflußt

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aber das von dem Kondensator von der Impulsgeneratorschaltung zu der Empfängerschaltung übertragene Impulssignal. Um jedoch eine zuverlässige Feststellung der Berührung der Platte durch einen Benutzer zu erzielen, müssen von der Impulsquelle verhältnismäßig hohe Spannungen erzeugt werden, während andererseits empfindliche Detektorschaltungen notwendig sind, die stabile Langzeit-Betriebskennlinienaufweisen.

Eine digitale Kapazitätsmeßschaltung zur Digitalisierung des Ausgangssignales einer kapazitiven Berührungsplatte ist in der US-PS 4 039 940 beschrieben. In dieser Patentschrift ist ein Ladungsübertragungs-Analog-Digital-Wandler (im folgenden CTAD genannt) beschrieben, der ein digitales Ausgangssignal des Berührungsgeber— Detektors erzeugt, welches sich abhängig von der Berührung des Sensors von einem dem unberührten Zustand entsprechenden Wert in einen dem berührten Zustand entsprechenden Wert ändert.

Alle diese bis heute bekannten Berünrungsgeberanordnungen einschließlich dem in der US-BS 4 039 940 beschriebenen Berührungsgebersystem sind durch eine Anzahl voneinander abhängiger Schwierigkeiten beeinträchtigt. So liegt die Multiplexgrenze bei den bekannten Berührungsgeberanlagen bei etwa 2 Berührungsgebern pro Sensor. Um die Zahl von 2 Berührungsgebern pro Sensor überschreiten zu können, sind außerordentlich hohe Treiberspannungen in der Größenordnung von beispielsweise 100 - 200 Volt notwendig. Außerdem rufen parasitäre kapazitive Kopplungen zwischen den einzelnen Treiberstufen und dem Sensor Unterschiede in der Spannung hervor, die bei den einzelnen Treiberstufen entweder für den berührten oder unberührten Zustand erfühlt werden.

Eine andere Schwierigkeit liegt darin, daß zur zuverlässigen Feststellung des berührten oder unberührten Zustandes ledig-

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lieh etwa zwei Treiberleitungen einem Berührungssensor zugeordnet werden können. Für einen Sensor können zwar bis zu drei Treiberleitungen benutzt werden, doch muß dann große Sorgfalt darauf verwendet v/erden, die von den einzelnen Treiberstufen empfangenen Signale abzugleichen. Diese große Sorgfalt erstreckt sich auf die Auslegung der Berührungsgeber und ergibt unangemessene Beschränkungen hinsichtlich der Anordnung und der Größe der Berührungsgeber.

Eine weitere Schwierigkeit ist darin zu sehen, daß bei Anlagen, bei denen eine große Anzahl von Berührungsgebern vorhanden sind, die Notwendigkeit für jeden Sensor verschiedene Schwellwerte vorzusehen, die Anlagekosten erhöht und außerdem eine große Anzahl von Abgleichen notwendig macht.

Änderungen der Werte der einzelnen Berührungsgeber-Platten haben dann zusätzliche Probleme ergeben, wenn diese Änderungen durch Differenzen in der Glasstärke und in der Dielektrizitätskonstante des Glases der einzelnen Berührungsgeber hervorgerufen sind. Schon Änderungen um lediglich wenige Prozent zwischen den einzelnen Berührungsgebern können zu erheblichen Problemen hinsichtlich der Entscheidungsfindung für "berührt" oder "nicht berührt" führen.

Eine zusätzliche Quelle von Veränderungen liegt darin, daß die Berührungsgeber über lange Zeitspannen und unter den Umwelteinflüssen altern, wie etwa unter der Ablagerung von Fett- oder Kochgutfilmen auf der Glasplatte, wie sie bei Haushaltsgeräten zu erwarten ist.

In Anbetracht der geschilderten Probleme kann eine gute Zuverlässigkeit zwar mit einem Multiplexgrad von 1 erzielt werden, doch bedingt die Zahl der notwendigen Sensoren zusätzliche Schaltungschips und eine außerordentlich große Anzahl von Schaltverbindungen zu der Berührungsgeber-Schalttafel.

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Multiplexgrade von zwei oder drei können zwar bei der augenblicklich zur Verfügung stehenden Technologie zur Erzielung eines zuverlässigen Betriebes benutzt werden, doch werden dadurch wesentliche Beschränkungen hinsichtlich des Aussehens und der Benutzungseigensehaften bei der Auslegung der Berührungsgeberanordnung eingeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Weg zu weisen, der es gestattet, eine Schaltungsanordnung für Berührungsgeber zu schaffen, die dem Konstrukteur hinsichtlich der Auslegung und der Herstellungstoleranzen weitgehende Freiheit läßt, wobei die einzelnen Ausgangssignale der Berührungsgeber im wesentlichen ohne aufwendige Abstimmungen abgefühlt werden können und ein hoher Multiplexgrad möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die eingangs genannte elektrische Schaltungsanordnung und der selbstoptimierende Berührungssensor sowie das erwähnte Verfahren zur Optimierung eines Berührungssensors durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 7 und 9 gekennzeichnet.

Bei der Erfindung sind eine Anzahl kapazitiver Berührungsgeber einem Speicher und logischen Schaltelementen derart zugeordnet, daß ein sehr hoher Multiplexgrad erzielbar ist. Die Schaltungsanordnung erlaubt von ihrem Aufbau her Änderungen der eigentlichen Berührungsgeberschaltung und der Berührungsgeber-Treiberstufenschaltung; sie gestattet es mit einer minimalen Zahl von Schaltverbindungen zwischen der Berührungsgeber-Tafel und der Berührungsgeber-Fühlelektronik auszukommen. Außerdem sind Vorkehrungen gegen Langzeitdrift der Schaltungsparameter getroffen, während der Konstrukteur bei der Anordnung und Auslegung der Berührungsgeber maximalen Spielraum hat.

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Erfindungsgemäß wird ein Analog/Digital(A/D)-Wandler,vorzugsweise ein sog. CTAD-Wandler vorgesehen, der die den einzelnen Berührungsgebern zugeordneten Ausgangsspannungen in Digitalwerte umsetzt. Der CTAD-Wandler kann eine Schaltung entsprechend der US-PS 4 039 940 benutzen. Der für den unberührten Zustand bei jedem Berührungsgeber ermittelte Digitalwert wird in einem Speicher gespeichert. Eine Steuerlogikschaltung steuert sodann zyklisch alle Berührungsgeber an und vergleicht den von jedem Berührungsgeber erhaltenen digitalen Ausgangswert mit dem dem unberührten Zustand entsprechenden Wert, der für den jeweiligen Berührungsgeber in dem Speicher gespeichert ist. Wenn eine merkliche Abweichung von dem unberührten Zustand in der richtigen Richtung festgestellt wird, wird für den jeweiligen Berührungs— geber eine Berührungsanzeige abgegeben, worauf eine zweckentsprechende Steuerfunktion durch eine andere Steuerschaltung ausgelöst wird.

Zur Feststellung des ümstandes, ob eine Berührungsbedingung vorliegt sind zwei verschiedene Schaltungen vorgesehen. In der ersten Schaltung ist ein fester Wert unterhalb des in dem Speicher befindlichen,dem unberührten Zustand entsprechenden Wertes erforderlich, um eine Berührungsbedingung anzuzeigen. Bei der zweiten Schaltungsanordnung wird ein bestimmter Prozentsatz des dem unberührten Zustand entsprechenden Wertes definiert, unterhalb von welchem jeder empfangene Impuls als Berührungsbedingung verstanden wird.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal kann die Schaltungsanordnung dadurch selbstoptimierend gemacht werden, daß periodisch alle Berührungsgeber in einer sog. Optimierungsbetriebsweise betrieben werden, in der die dem unberührten Zustand entsprechenden digitalen Ausgangswerte in dem Speicher jeweils auf den neuesten Stand gebracht werden. Der auf den neuesten Stand gebrachte Wert kann

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jedoch während jedes Zyklus der Optimierungsbetriebsweise lediglich um einen Zählschritt verändert werden, um damit zu verhindern, daß ein transientes Signal bei einem Berührungsgeber eine wesentliche Änderung der dem unberührten Zustand entsprechenden Werte ergibt. Die Optimierungsbetriebsweise wechselt zweckentsprechend undj,wie von der Steuerlogik bestimmt mit der normalen Berührungsgeber-Abfühlbetriebsweise ab. Die Schaltung wird somit weitgehend unabhängig von allen in der Berührungsgeberschaltung auftretenden Änderungen; sie kann auf die Notwendigkeit einer von Hand erfolgenden Schaltungseinstellung oder Abgleichung verzichten.

Bei der Erfindung werden die Ausgangsspannungen jedes Berührungsgebers einer einer Anzahl. Berührungsgeber enthaltenden Schaltung digitalisiert; der dem unberührten Zustand entsprechende digitale Ausgangswert jedes Berührungsgebers wird in einem Speicher gespeichert; sodann wird der augenblickliche digitale Ausgangswert für jeden Berührungsgeber mit dem dem unberührten Zustand entsprechenden ₍ vorher gespeicherten digitalen Ausgangswert verglichen, um festzustellen, ob ein berührter Zustand aufgetreten ist.

Bei dem neuen Verfahren wird der in einem Digitalspeicher jeweils gespeicherte, dem unberührten Zustand entsprechende Spannunqswert kontinuierlich derart auf den neuesten Stand gebracht /Haß .diese Werte von kurzzeitig auftretenden transienten Signalen nicht merklich' beeinträchtigt werden können.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung gem. der Erfindung, bei der ein berührter Zustand dann angezeigt wird, wenn die digitale Ausgangsgröße eines der Berührungsgebers um einen

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festen Wert unterhalb des dem unberührten Zustand entsprechenden Ausgangswertes dieses Berührungsgebers liegt, wie er in dem Speicher gespeichert ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, bei der der berührte Zustand dann festgestellt wird, wenn die digitale Ausgangsgröße eines der Berührungsgeber um einen festen Prozentwert des dem unberührten Zustand entsprechenden Ausgangswertes unter diesem in dem Speicher gespeicherten/dem unberührten Zustand entsprechenden Ausgangswert liegt und

Fig.3a Zeitdiagramme zur Veranschaulichung verschiedener Spanbis 3h nungen und Signale der Schaltungseinrichtungen nach den Fig. 1 und 2.

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In Fig, 1 ist ein Blockschaltbild einer zur Verarbeitung der Ausgangssignale von vier Berührungsgebern TP1, TP 2, TP3 und TP4 dienenden Datenverarbeitungsschaltung dargestellt.Wenngleich in Fig. 4 auch vier Berührungsgeber veranschaulicht sind, so versteht sich doch, daß jede beliebige Anzahl Berührungsgeber dargestellt hätte werden können.

Jeder der Berührungsgeber der Fig. 1 besteht aus einer ebenen Platte, wie sie durch die ebenen Platten 10-13 der Berührungsgeber TP1 bis TP 4 veranschaulicht ist, bei denen jede der flachen Platten jeweils die gemeinsame Elektrode zweier Kopplungskondensatoren C .. und C„ darstellte die der Einfachheit halber lediglich für den Berührungsgeber TP3 bezeichnet sind). Diese gemeinsame Elektrode der Kopplungskondensatoren kann, etwa während des berührten Zustands,an Erde angekoppelt sein, so daß sich die Kapazität gegen Erde der Berührungsgeber ändert, wenn eine Bedienungsperson die gemeinsame Elektrode (oder einen von der gemeinsamen Elektrode gehalterten Isolator) mit dem Finger berührt.

Die Berührungsgeber TP1 , TP2 sind über die Kopplungskondensatoren C ₁ mit einer Treiberleitung D verbunden und außerdem über den Kopplungskondensator C ₂ ^an eine Ausgangsleitung S bzw. S₁ angekoppelt. Mit der Treiberleitung D könnten auch weitere Berührungsgeber einer erweiterten Anordnung verbunden sein. In ähnlicher Weise ist eine Leitung D₁ an die Berührungsgeber TP3, TP4 angekoppelt, die ihrerseits kapazitiv an die Ausgangsleitung S_Q bzw. S₁ angekoppelt sind. Zusätzliche Berührungsgeber könnten wiederum an die Leitung D₁ und die anderen Ausgangsleitungen angekoppelt sein.

Die Leitungen D₁, D sind Ausgangsleitungen einer Treiberstufe 14, die auf den Leitungen D₁, D (Fig.3b , 3c) Ausgangsspannungsimpul-

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se erzeug^, die Impulse verhältnismäßig niedriger Spannung_/der Größenordnung von beispielsweise 10 Volt, sein können, wobei die Impulsabgabe durch eine Steuerlogik 15 gesteuert ist, wie dies im Einzelnen noch erläutert werden wird.

Die Ausgangsleitungen S , S₁ sind an den Eingang eines zweckentsprechenden Analog/Digitalwandlers 16 angeschlossen. Das auf jeder der Ausgangsleitungen S , S. (vergleiche Fig. 3d, 3e) oder einer anderen zu dem Analog/Digitalwandler 16 führenden, von der Steuerlogik 15 ausgewählten Leitung auftretende Signal wird von dem Analog/Digital(A/D)-Wandler 16 von seinem Analogwert in seinen Digitalwert umgesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der A/D-Wandler 16 der in der US-PS 4,039,940 beschriebenen CTAD-Bauart.

Der Ausgang 16a des CTAD-Wandlers 16 ist an einen Zähleingang17a eines CTAD-Zählers 17 angeschlossen. Der A£)-Wandler 16 erzeugt außerdem ein Umwandlungsabschluß-Ausgangssignal an einem Ausgang 16b (Fig.3f), wenn er die Umwandlung des auf der Leitung S oder S₁ auftretenden Signales abgeschlossen hat.

An einen Dateneingang 17b des Zählers 17 ist eine Eingabeschaltung 18 mit "Fenster"-Voreinstellung eines Zählwertes angeschlossen, ' die zu einem noch im einzelnen zu erläuternden Zwecke in dem Zähler 17 einen vorbestimmten festen Zählerstand einstellt, bevor der Zähler 17 von dem AO-Wandler 16 ein Umwandlungszählergebnis erhält. Es ist darauf hinzuweisen, daß in die Eingabeschaltung 18 ein einziger "Fenster"-Zählwert dauernd eingegeben sein kann (wobei die Schaltung 18 etwa dadurch verwirklicht ist, daß an dem Dateneingang eines für die Schaltung 17 benutzten rückstellbaren Zählers eine dauernde Verdrahtung vorgesehen ist); andererseits kann aber auch ein von Hand oder elektrisch wählbarer

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fester Zählerstand mittels Schaltern oder dergleichen an den Dateneingängen des Zählers in an sich bekannter Weise verwirklicht werden.)

Ein Digitalspeicher 19, bei dem es sich um einen Halbleiterspeicher oder einen anderen zweckentsprechenden Speicher handeln kann, dient dazu, das dem unberührten Zustand entsprechende digitale Ausgangssignal jedes der Berührungsgeber TP1 bis TP4 zu speichern, wie dies noch erläutert werden wird. Der Digitalspeicher 19 wird von der Steuerlogik 15 gesteuert und kann über eine Ausgangsleitung 19b bzw. eine Eingangsleitung 19c Daten für einen Vorwärts-Rückwärtszähler 20 auslesen oder von diesem empfangen. Der Vorwärts-Rückwärtszähler 20 und der Zähler 17 sind jeweils in der dargestellten Weise an Eingänge eines !Comparators 21 angeschlossen. Der Komparator 21 weist Ausgangsleitungen 22, 23 auf, die dann ein Signal führen, wenn der Zählerstand des Zählers 20 den Zählerstand des Zählers 17 übersteigt bzw. unterschreitet.

Die digitale Datenverarbeitungsschaltung enthält UND-Gatter 24, 25, die an den Vorwärts- bzw. Rückwärtseingang des Vorwärts-Rückwärtszählers 20 angeschlossen sind; außerdem sind UND-Gatter 26, 27 vorgesehen, die mit dem Voreinstell- und Rückstelloder Löscheingang 17c bzw. 17d des Zählers 17 in der dargestellten Weise verbunden sind. An einem Eingang des UND-Gatters 26 liegt ein Inverter 29, der an die Optimierungs-Ausgangsleitung der Steuerlogik 15 angeschlossen ist. Schließlich ist noch ein UND-Gatter 30 vorgesehen , das einen Ausgang aufweist, welcher einen berührten Zustand an dem gerade von der Steuerlogik 15 angesteuerten Berührungsgeber TP1 bis TP4 zu dem Zeitpunkt anzeigt, zu dem die die Feststellung der Berührung angebende Ausgangsgröße erzeugt wird»

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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeitdiagramme der Fig. 3a bis 3h erläutert:

Wie aus Fig.3a zu ersehen, erzeugt die Steuerlogik 15 zu Beginn jedes Zeitintervalles t., t„, t-. und t, jeweils einen Rückstell- oder Löschimpuls. Jeder dieser Rückstellimpulse wird zu dem gleichen Zeitpunkt erzeugt, zu dem der Digitalspeicher 20 für die in ihr/für jeweils einen der Berührungsgeber TP1 bis TP4 gespeicherten, dem unberührten Zustand entsprechenden ("unberührt")-Daten angesteuert wird. Somit wird während des Zeitintervalles t- der dem unberührten Zustand entsprechende Speichereintrag für den Berührungsgeber TP1 angesteuert, und die Datenverarbeitung der Schaltung bezieht sich auf den Zustand des Berührungsgebers TP1. In ähnlicher Weise werden während der Zeitintervalle t^, t., und t. die Zustände der Berührungsgeber TP2 bzw. TP3 bzw. TP4 berücksichtigt.

Wenn man zunächst den sich auf den Berührungsgeber TP1 beziehenden Zyklus betrachtet, so beginnt dieser mit einem Rückstellimpuls (Fig.3a) an dem Rückstellausgang 15a zu Beginn des Zeitintervalles t. . Dieser Impuls macht Transistoren 31, 32 leitend, die damit die Leitungen S ,S- während der Dauer dieses Impulses mit Erde verbinden. Gleichzeitig wird der Zähler17, abhängig von den anderen Eingangssignalen für die Gatter 26, 27, wie dies noch erläutert werden wird, durch den Rückstellimpuls entweder gelöscht oder voreingestellt. Der Rückstellimpuls bewirkt außerdem, daß dem Vorwärts-Rückwärtszähler 20 der Inhalt der jeweiligen Speicherstelle des Digitalspeichers 19 eingegeben wird,die dem Digitalwert des letzten_/dem unberührten Zustand

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entsprechenden Ausgangssignales des Berührungsgebers TP1 entspricht. Zu bemerken ist, daß die Steuerlogik dem Adresseneingang 19a des Digitalspeichers 19 die richtige Adresse zuführt, die dem jeweils angemessenen Berührungsgeber entspricht. Der Digitalspeicher 19 gibt an dem Ausgang 19b den gespeicherten, dem unberührten Zustand entsprechenden Wert für den jeweiligen Berührungsgeber an den Vorwärts-Rückwärtszähler 20 ab.

Wenn der Rückstellimpuls der Fig.3a in dem Zeitintervall t* endet, wird die entsprechende Treiberleitung D oder D₁ von der Steuerlogik 15 eingeschaltet, wie dies in den Fig.3b , 3c dargestellt ist. Wenn somit der Berührungsgeber TP1 angemessen wird, wird die Treiberleitung D eingeschaltet. Zu bemerken ist, daß die Treiberleitung D auch in dem nächsten Zeitintervall t₂ / wenn der Berührungsgeber TP2 angemessen wird, eingeschaltet wird. Die Treiberleitung D₁ wird dann eingeschaltet, wenn die Berührungsgeber TP3 und TP4 in dem Zeitintervall t-, bzw. t. angemessen werden.

Der A/D-Wandler 16 mißt sodann die Spannung an der jeweils abgefühlten Leitung S bzw. S₁ (Fig.3b, 3e), wie sie von der Steuerlogik 15 entsprechend dem gerade angemessenen Berührungsgeber bezeichnet ist. Vor dem Empfang des Ausgangssignal· von dem A/D-Wandler 16 ist in dem Zähler 17 zufolge des Einschaltens des Voreinstellungs-Einganges 17c eine "Fenster"-Zählerstandvoreinstelling vorgenommen worden (über das UND-Gatter 26 immer dann, wenn die "Rückstell"- und "Optimierungs"-Ausgangssignale der Steuerlogik 15 auftreten bzw. nicht auftreten,d.h. wenn eine logische Eins bzw. eine logische Null in einem positiven Logiksystem auftritt). Das resultierende Ausgangssignal des A/D-Wandlers 16 wird sodann auf den in dem Zähler 17 bereits ge-

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speicherten voreingestellten "Fenster"-Zählerstand in dem Zähler 17 aufgezählt.

Wenn die Spannungswandlung in dem A/D-Wandler 16 abgeschlossen ist, was durch ein Umwandlungsabschlußsignal (Fig.3f) angezeigt wird, das den Gattern 24, 25, 30 zugeführt wird, wird in dem Komparator 21 ein Vergleich des Zählerstandes des Zählers 17 mit dem gemessenen Wert (a) des Berührungsgeberausgangssignals plus des voreingestellten "Fenster"-Zählerstandwertes - falls ein solcher Wert vorher gewählt worden war - und (b) des Zählerstandes des Zählers 20 durchgeführt, dessen Zählerstand von dem Digitalspeicher 19 empfangen wurde und gleich dem letzten Wert des dem unberührten Zustand entsprechenden Ausgangssignals des gerade angemessenen Berührungsgebers ist. Wenn der Zählerstand des Zählers 17 (Signal A) kleiner ist als der Zählerstand des Zählers 20 (Signal B) wird auf die Komparatorausgangsleitung 22 ein Signal (B>A Ausgangssignal) gegeben. Dieses Ausgangssignal löst zusammen mit dem Umwandlungsabschluß-Ausgangssignal des Zählers 16 und dem Ausgangssignal des Inverters 29 (da kein "Optimierungs"-Ausgangssignal auftritt) das Berührungs-Detektorgatter 30 aus, womit angezeigt wird, daß bei dem untersuchten Berührungsgeber ein berührter Zustand festgestellt wurde. Ein Ausgangssignal von dem Berührungs-Detektorgatter 30 während des Zeitintervalls t.. gibt an , daß der Berührungsgeber TP1 berührt worden ist, womit eine (nicht dargestellte) geeignete Steuerschaltung angesteuert wird. Wie somit für den Berührungsgeber TP1 in Fig.3d veranschaulicht, weist das dem unberührten Zustand entsprechende Ausgangssignal NT eine Größe auf, die die Größe des dem berührten Zustand entsprechenden Ausgangssignales T des gerade abgefragten Berührungsgebers übersteigt. Die Differenz zwischen den dem unberührten und

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dem berührten Zustand entsprechenden Ausgangssignalen (d.h. NT Zählung - T Zählung muß somit unter Berücksichtigung der von dem Rauschen und anderen transienten Signalen herrührenden Veränderungen des Signales auf der Ausgangsleitung (beispielsweise S) auf einem von null verschiedenen Wert liegend festgestellt werden. Es wird eine untere Zählgrenze NT¹ als eine bestimmte Zahl von Zählschritten be stimmt ,unter die das Berührungsgeberausgangssignal abfallen muß, bevor ein gültiger berührter Zustand (mit der Größe T) festgestellt wird. Die Differenz W zwischen der erwarteten,dem unberührten Zustand entsprechenden Signalgröße NT und dem unteren,dem unberührten Zustand entsprechenden Grenzwert (d.h. NT-NT¹) ist das sog."Fenster"; dieses "Fenster" ist ein vorbestimmter fester Zählerstand, der durch die Eingabeschaltung 18 in den Zähler 17 voreingegeben wird, um der Zählung in einer Zählrichtung einen Wert vorzugeben, die entgegen jener ist, wie sie einem dem unberührten Zustand entsprechenden Ausgangssignal ist; auf diese Weise wird sichergestellt, daß transiente und andere unerwünschte Signale keine niedrigere,dem berührten Zustand entsprechende Zählung (T) ergeben, wenn der zugeordnete Berührungsgeber tatsächlich nicht betätigt worden ist.

In ähnlicher Weise zeigt die Abgabe eines Berührungsdetektorsignals während der Zeitintervalle t~, t.. oder t. an, daß der Berührungsgeber TP2 bzw, TP3 oder TP4 berührt worden ist, wie dies in Fig. 3h veranschaulicht ist.

Während des letzten Teiles jedes einem Berührungsgeber zugeordneten Zyklus wird der Inhalt des Vorwärts-Rückwärtszählers 20 , der dem dem unberührten Zustand des jeweiligen Berührungsgebers

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entsprechenden Signalwert entspricht, wieder in den Speicher 19 eingeschrieben, wie dies in Fig.3g angedeutet ist.

Der Vorgang läuft sodann aufeinanderfolgend weiter ab, womit dauernd festgestellt wird, ob bei einem der Berührungsgeber TP1 bis TP4 oder einem anderen der Anlage gegebenenfalls hinzugefügten zusätzlichen Berührungsgeber eine Berührung registriert worden ist.

Entsprechend einem wesentlichen Merkmal der Erfindung wird die Schaltung nach Fig.1 nach einer gewissen gegebenen Anzahl von Meß-Betriebsabläufen systematisch in einer Optimierungs-Betriebsweise betrieben. Während dieser Optimierungs-Betriebsweise wird der Digitalspeicher 19 mit den jeweils letzten Datenwerten des nicht berührten Zustandes der Berührungsgeber TP1 bis TP4 auf den jeweils letzten Stand gebracht.

Beim Übergang auf die Optimierungs-Betriebsweise erzeugt die Steuerlogik 15 ein Ausgangssignal auf der"Optimierungs"-Leitung 15b; die Wirkungsweise der Schaltung ist bis auf zwei Ausnahmen identisch mit der normalen Betriebsweise. Die erste Ausnahme besteht darin, daß während der Rückstellperiode der Zähler 17 nicht auf einen "Fenster"-Wert zurückgestellt wird (weil das Ausgangssignal des Gatters 26 den Zählereingang 17c nicht wirksam macht); an Stelle dessen wird der Zähler 17 auf einen Null-Wert zurückgesetzt, d.h. in den Zähler 17 wird kein Vorzählwert eingegeben. Dies rührt daher, daß die beiden Eingänge des UND-Gatters 27 mit dem Optimierungs- und dem Rückstellsignal beide Signalwerte führen, womit der Rückstell- oder Löscheingang 17d des Zählers 17 wirksam gemacht wird. Die zweite Ausnahme besteht darin, daß nach Abschluß der Umwandlung durch den A/D-Wandler 16 ein Ver-

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gleich zwischen dem Zählerstand des Vorwärts-Rückwärtszählers 20 (der gleich dem letzten dem unberührten Zustand entsprechenden Signalwert ist) und dem Zählerstand des CTAD Zählers 17 vorgenommen wird, der gleich dem augenblicklichen,dem unberührten Zustand entsprechenden Signalwert ist.

Wenn die beiden Zählerstände gleich sind, geschieht nichts. Ist jedoch der augenblicklich gemessene Wert größer als der letzte Wert, so wird ein Ausgangssignal auf die Leitung 23 gegeben,durch das das Gatter 24 ausgelöst wird, womit ein Eingangssignal zu dem Vorwärts-Eingang des Zählers 20 gelangt und dieser um einen Zählschritt aufgezählt wird. Dieser verbesserte Wert wird sodann dem Dateneingang 19c des Digitalspeichers 19 zugeführt und anschließend in Abhängigkeit von einem von der Steuerlogik 15 dem Digitalzähler 19 zugeführten SCHREIB-Signal wieder in den Digitalspeicher 19 eingeschrieben. In ähnlicher Weise wird, wenn der augenblickliche, dem nichtberührten Zustand entsprechende Zählerstand niedriger ist als der Zählerstand des Zählers 20, die Leitung 22 im Sinne der Auslösung des Gatters 25 wirksam gemacht, womit dem Rückwärts-Eingang des Zählers 20 ein Eingangssignal zugeleitet wird, durch das der Zähler 20 um einen Zählschritt zurückgezählt wird. Dieser Alternativwert, wird sodann wiederum am Ende des Optimierungszyklus in den Digitalspeicher 19 eingeschrieben.

Dadurch, daß bei jedem gegebenen Zyklus eine Änderung von lediglich einem Zählschritt in dem Vorwärts-Rückwärtszähler 20 ermöglicht ist, trägt die Schaltung umständen Rechnung, unter denen während der Optimierung eine große transiente Spannung aufgetreten ist oder die Optimierungsbetriebsweise gleichzeitig damit begonnen wurde, daß bei dem betreffenden Berührungsgeber ein berührter Zustand durch einen Benutzer aufgetreten ist. Dieser Zustand wird sodann während der nächsten Optimierungs-Betriebs-

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weise korrigiert.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß die neue Schaltung nach Fig. 1 es gestattet, eine große Zahl von Berührungsgebern zu multiplexen , wobei sie verhältnismäßig wenige Schaltverbindungen zu dem Berührungsgebersystem erfordert und weitgehende Änderungen in den Berührungsgeberschaltungen erlaubt. Die neue Schalttung ermöglicht es auch, daß bei jedem der Berührungsgeber der unberührte Zustand kontinuierlich jeweils auf den neuesten Stand gebracht wird, wobei kurzzeitige transiente Signale diese Aktualisierung nicht merklich stören, so daß die Schaltung selbstoptimierend ist.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der der CTAD-Zähler 17 mit einem festen Prozentwert des dem unberührten Zustand entsprechenden Ausgangssignalwertes eines der Berührungsgeber TP1 bis TP4 voreingestellt wird. Die Schaltung unterscheidet sich von jener nach Fig.1 somit im wesentlichen dadurch, daß der A/D-Zähler 17 nach Fig. 1 mit einem festen Prozentwert voreingestellt wurde. Die Schaltung nach Fig.2 und deren Betriebsweise sind sonst identisch mit jenen nach Fig.1; entsprechende Schaltelemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 2 ist ein Inverter 40 hinzugefügt, der ein Signal von dem Speicherausgang 19 einem Verschiebeeingang 17e des Zählers 17 zuführt. Dies gestattet die Verschiebung von Bits in dem Zähler 17 nach rechts, um damit eine Teilung durch zwei, vier, acht oder dergleichen vorzunehmen und auf diese Weise den gewünschten Prozentwert des dem unberührten Zustand entsprechenden Signalwertes voreinzustellen, der während des Vergleichsvorganges aus dem Zähler 17 ausgelesen werden soll;um somit ein festes "Fen-

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N
ster" von (100/2 )% einzustellen, wird der vorher gespeicherte, dem unberührten Zustand entsprechende Wert in den Zähler 17 eingegeben und in dem Zähler N mal nach rechts verschoben; eine N-RechtsverSchiebung ist äquivalent einer Division durch 2 . Wenn z.B. N=2 gilt und der gespeicherte Wert zweimal nach rechts verschoben wird, wird (100/2 )% oder (25%) des dem unberührten Zustand entsprechenden Wertes in dem Zähler 17 voreingestellt; ein berührter Zustand tritt damit nur dann auf, wenn der Ausgangswert des Berührungsgebers unter 75% (d.h.

100 - 100/2 )% des dem unberührten Zustand entsprechenden Wertes ist.

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Claims

2814539 Patentanwälte Dipi.-Ing. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Rüger 7300 Esslingen (Neckar), Webergasse 3, Postfach 348 15. Dezember 1978 Tele(on PA 139 rüde S.u.,gar« (0711, 35B539 Telex 07 256610 smru Telegramme Patentschutz Esslingenneckar Patentansprüche

1.) Elektrische Schaltungsanordnung für eine Anzahl kapazitiver Berührungsgeber , dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Berührungsgeber (TP1 bis TP4) mit einer Treiberstufe (14) verbunden ist, die über eine die Berührungsgeber (TP1 bis TP4) enthaltende Kopplungsschaltung an einen Analog/Digital-Wandler (16) angekoppelt ist, dem ein das digitale Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers (16) zählender Zähler (17) nachgeschaltet ist,

daß sie eine Steuerlogikschaltung (15) aufweist, die mit einem den jeweils dem unberühren Zustand entsprechenden digitalen Ausgangssignalwert der einzelnen Berührungsgeber (TP1 bis TP4) speichernden Speicher (19) gekoppelt ist, an den ein von der Steuerlogikschaltung (15) ansteuerbarer Vorwärts-Rückwärtszähler (20) angeschlossen ist,

daß die Steuerlogikschaltung (15) die Treiberstufe (14) aufeinanderfolgend die einzelnen kapazitiven Berührungsgeber (ΤΡ1 bis TP4) ansteuern läßt und synchron damit aufeinanderfolgend aus dem Speicher (19) die dem unberührten Zustand eines jeweils angesteuerten Berührungsgebers (TP1 bis TP4) entsprechende digitale Zahl in den Vorwärts-Rückwärtszähler (20) einliest und

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daß mit dem Vorwärts-Rückwärtszähler (20) und dem Zähler (17) des Analog/Digital-Wandlers(16) ein die Zählerstände der beiden Zähler (20,17) vergleichender Komparator (21) verbunden ist, der ein Ausgangssignal abgibt, wenn sich die Zählerstände der beiden Zähler (20, 17) um mehr als einen vorbestimmten Betrag unterscheiden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandler (16) ein Analog/Digital-Wandler mit Ladungsübertragung (CTAD-Wandler) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß sie eine Optimierungsschaltung enthält, die mit der Wahl der einzelnen Berührungsgeber (TP1 bis TP4) synchronisiert.ist und zwischen dem Komparator (21) und dem Vorwärts-Rückwärtszähler (20) liegende Schaltungsteile (15b, 24 - 27, 29) aufweist, durch ι die der Zählerstand in dem Vorwärts-Rückwärtszähler (20) erhöht oder erniedrigt wird, wenn der Vorwärts-Rückwärtszähler (20) aus dem Speicher (19) einen dem unberührten Zustand eines bestimmten Berührungsgebers (TP1 bis TP4) entsprechenden digitalen Ausgangssignalwert enthält, der niedriger bzw. höher als der Zählerstand in diesem Zähler ist und daß der geänderte Zählerstandswert des Vorwärts-Rückwärtszählers (20) über einen -Schalt- " tungsteil (19c, 15) zurück in den Speicher (19) eingegeben wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß der Vorwärts-Rückwärtszähler (20) bei jedem Wirksamwerden der Optimierungsschaltung in seinem Zählerstand um maximal einen Zählschritt verändert wird.

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5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (18) zur Eingabe eines eine Voreinstellung bewirkenden und ein Detektor-"Fenster" ergebenden Vorgabezählwerts in den Zähler (17) aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zwischen dem Zähler (37) und dem Speicher (19) liegende Schaltung aufweist (40, 17e) , über die der dem unberührten Zustand entsprechende digitale Ausgangssignalwert in den Zähler (17) eingegeben und dieser Wert in dem Zähler (17) um N Stellen verschoben werden kann, wobei N eine ganze Zahl ist, derart, daß ein Detektor-"Fenster"-Voreinstellungs-

N wert des Zählers als ein Prozentsatz von (100/2 )% des dem unberührten Zustand entsprechenden Ausgangssignalwertes eingestellt wird.

7. Selbstoptimierender Berührungsensor mit wenigstens einem kapazitiven Berührungsgeber, dadurch gekennzeichnet, daß an den kapazitiven Berührungsgeber (TP1 bis TP4) eine Treiberstufe

(14) angekoppelt ist, die ihrerseits über den kapazitiven Berührungsgeber (TP1 bis TP4) mit einem Analog/Digitalwandler (16) gekoppelt ist, welcher mit einem einen dem berührten oder unberührten Zustand des Berührungsgebers (TP1 bis TP4) entsprechenden Zählwert erzeugenden ersten Zähler (17) verbunden ist,

daß er einen den jeweils letzten,dem unberührten Zustand entsprechenden Zählwert speichernden Speicher (19) aufweist, an den ein Vorwärts-Rückwärtszähler (20) angeschlossen ist, daß durch einen Komparator (21) die Zählerstände in dem ersten Zähler (17) und dem Vorwärts-Rückwärtszähler (20) miteinander verglichen werden und zwischen dem Komparator (21) und dem Vorwärts-Rückwärtszähler (20) eine Schaltung liegt, die den Zählerstand in dem Vorwärts-Rückwärtszähler (20) erhöht oder ernied.r-

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rigt, wenn der Vorwärts-Rückwärtszähler (20) aus dem. Speicher (19) einen Digitalwert erhält , der niedriger bzw. höher als der Zählerstand in dem ersten Zähler (17) ist und daß der jeweils letzte Zählwert in dem Vorwärts-Rückwärtszähler (2o) durch einen Schaltungsteil zurück in den Speicher (19) eingebbar ist.

8. Berührungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählerstand in dem Vorwärts-Rückwärtszähler (20) bei jedem Vergleich zwischen den Zählerständen in dem ersten Zähler (17) und dem Vorwärts-Rückwärtszähler (20) um maximal einen Zählschritt verändert wird.

9. Verfahren zur Optimierung eines wenigstens einen Berührungsgeber enthaltenden Berührungssensors,dadurch gekennzeichnet, daß das dem unberührten Zustand des Berührungssensors entsprechende Ausgangssignal digitalisiert und der so gewonnene,dem unberührten Zustand entsprechende Ausgangswert in einen Speicher eingegeben wird, daß nachfolgend das dem unberührten Zustand entsprechende Ausgangssignal des Berührungssensors gemessen und wiederum digitalisiert wird und sodann der nachfolgende digitalisierte Ausgangswert mit dem vorher digitalisierten Ausgangswert verglichen wird und daß der in dem Speicher enthaltene digitalisierte Ausgangswert um maximal einen Zählschritt in der Zählrichtung verändert wird, in der der Ausgangswert in dem Speicher an den nachfolgenden Ausgangswert herangeführt wird.

10.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vorher digitalisierte, dem unberührten Zustand entsprechende Ausgangswert aus dem Speicher einem Vorwärts-Rückwärtszähler zugeführt und mit dem nachfolgend digitalisierten Ausgangswert verglichen wird und daß der Vorwärts-Rückwärtszähler um einen

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Zählschritt vorwärts oder rückwärts gezählt wird, wenn der nachfolgende Ausgangswert niedriger bzw. höher als der vorherige Ausgangswert ist und daß schließlich der veränderte Zählerstand anschließend aus dem Vorwärts-Rückwärtszähler in den Speicher überführt wird.

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